4G手機上網飆速的秘密解析~ LTE數據機規格篇

台灣4G開台以來,各家電信業者經常在媒體宣稱自家4G網路最高可以達到數百Mbps,也有不少網友喜歡在臉書或論壇PO各家電信業者測速截圖。由於人類對於速度是有感覺的,對於4G網速自然非常關心,而影響4G網速的因素很多元,其中4G手機處理器所採用的LTE數據機(基頻晶片/調製解調器)非常重要。

以下針對高通歷代X系列LTE數據機規格及技術與4G網速的關連做一解析:

高通處理器速度規格    

 

1. 影響4G網速的關鍵因素:

影響行動上網速度的因素很多包括電信業者所使用的無線頻寬大小與基地台的規格、訊號涵蓋(基地台數量與距離)、資源共享(同一基地台同時上網人數)、用戶使用環境(上網地點地形地貌)、終端商品規格(行動裝置的處理器規格與所能支援網路規格及使用的移動狀態)、網路資源(基地台與交換機或核心網路之間的傳輸線路頻寬、交換機與核心網路本身的系統容量)…。

4g上網影響因素  

 

網速的高低直接影響下載或上傳的速度,網速越快,下載或上傳的速度越快。不過,若是線上瀏覽網頁或影音,只要下載速度超過10Mbps以上,除非發生網路資源不夠問題,多數行動用戶是察覺不出網速的大小所產生的差異。換言之除了下載/上傳超大檔案(1GB以上影片)及或是使用網路OTT影視、互動電視、3D電影、4K或8K高解析度等超高品質影音應用服務會有若干時間差外,4G網速差異用在一般追劇、玩線上遊戲或上網瀏覽差距相當小 (21Mbps與非限速實測差異請參考這裡)線上瀏覽網頁或追劇發生LAG問題通常是電信業者或是對方伺服機網路資源不夠有關(詳見這裡)

4G網速  

 

2. 手機處理器LTE數據機規格與4G網速的關係:

4G網速要快首要關鍵就是使用的4G終端設備處理器的LTE數據機規格與技術目前在LTE數據機技術領先的高通(Qualcomm)處理器搭配的LTE數據機規格不同而提供不同的4G網速(理想值)。其中Snapdragon 835所使用的X16 LTE數據機最高的理想值將可達到1Gbps

高通網速  

 

整理高通官網LTE Modem規格影響4G網速的關鍵主要來自幾個主要LTE技術~CA(載波聚合)、Massive MIMO、QAM、LAA/LWA、LTE Stream..等等技術規格,其中幾項技術已發展成5G的前導技術

以下說明各LTE技術規格與提升4G網速的關聯:

高通處理器規格  

 

A. CA載波聚合:

 4G 網速要快,無線頻寬一定要大。受限各國的無線頻寬零散,必須將多個分散頻段的頻寬加以整合才能達到網速提高的目的。

CA(載波聚合,Carrier Aggregation)是LTE-Advanced 的主要技術之一,可以將多個分散頻段的頻寬整合,讓資料傳輸更有效率,達到提升網速的效果。支援Cat.4以上規格的行動終端設備才可以使用載波聚合,不過Cat.4不支援頻寬不對等的非對稱 CA,目前國內各大電信商「已商用」的 LTE 頻段皆為非對稱,所以無法使用∘ 在台灣若要使用CA功能,手機必定要支援 Cat.6 以上。

CA

 

高通X5以上的LTE數據機下行(下載)都有支援CA,由X5的2*10Mhz CA 到X16 4*20 Mhz CA,聚合的無線頻寬越大,最高網速最會變快。5 Mbps的最高理論值為37.5Mbps,4*20Mbps=80Mbps就可以達到理論值最高600Mbps的網速。

 高通CA   

 

B. MIMO:

MIMO(Multi-input Multi-output ;多輸入多輸出)是一種用來描述多天線無線通訊系統的抽象數學模型,能利用發射端的多個天線各自獨立發送訊號,同時在接收端用多個天線接收並取消復原原資訊。MIMO利用多根發射天線與多根接收天線所提供之空間自由度來有效提升無線通訊系統之頻譜效率,以提升傳輸速率並改善通訊品質。

Massive MIMO則為單用戶MIMO(SU-MIMO)和波束成形(beamforming)之組合,並透過具備大量可操控之進階天線提供支援。Massive MIMO不僅能改善使用者體驗,還可以提升網路容量以及網路覆蓋。

MIMO 4.png

 

現形4G基地台與裝置主流是採用雙天線(2X2 MIMO)來負責數據傳輸,高通X16/X12 LTE數據機則採用四根天線(4X4 MIMO技術)來負責傳輸。天線數量加倍,負責傳輸的幫手加倍了,原本 2X2 MIMO 技術下的20Mhz頻寬的最大峰值就可由150Mbps加倍變成為300Mbps。

不過,受限於手機內部空間有限,天線數量不能因要提升傳輸速度而無限制的增加。4X4 MIMO技術目前無法成為主流的原因就是現行手機要保持輕薄機構又要同時塞進四根天線,在技術上與成本上都有待克服才有辦法成為商化的主流產品∘

高通MIMO    

 

C. QAM:

QAM (Quadrature Amplitude Modulation正交振幅調變)是數位訊號的一種調製方式。在調變過程中同時以載波信號的幅度和相位來代表不同的數字比特編碼把多進位與正交載波技術結合起來進一步提高頻帶利用率。(QAM介紹詳見這裡)

QAM訊號星座點數越多,每個符號能傳輸的數據量就越大。將目前下行鏈路主流的64-QAM提升到256-QAM 就像將原本6人座的車(2的6次方)升級成8人座的車(2的8次方)可以搭載的容量變大了,下行的峰值速度就可以提升33%。換言之原本20Mhz頻寬+ 4X4 MIMO的峰值傳輸速率為300Mbps若再加上256-QAM】,下行的峰值傳輸速率最可以變成400Mbps。

不過,如果在星座圖的平均能量保持不變的情況下增加星座點,會使星座點之間的距離變小,會使誤碼率上升,將導致【256-QAM】的可靠性會比【64-QAM】要差

 QAM  

 

高通X16/X12LTE數據機下行支援256QAM,其他X系列下行支援64QAM,X10/X8/X7/X5的上行則只支援16QAM。

高通QAM  

 

D. LTE-U/LWA/LAA:

LTE-U是利用未授權頻譜的LTE技術,乃利用先進長程演進計畫(LTE-A)技術以便實現協調式多點傳輸(CoMP)收發、鄰近與非鄰近頻譜的載波聚合,以及支援中繼節點(Relay Node)基地台,以達到網狀拓撲與鄰近節點回程(Backhaul)支援,藉此大幅增加可用頻寬。

LAA(Licensed Assisted Access授權輔助接取)技術是目前LTE行動寬頻網路於5GHz免執照頻段(Unlicensed band)中運行的一種新定義的接取模式是載波聚合(Carrier Aggregation, CA)加上干擾調和(Interference Coordination)兩大技術的進階版,乃將次要載波安排在免執照的ISM Bands,並與授權頻譜的主要載波聚合起來使用,以彌補合法執照頻段頻寬的不足,進而改善頻譜利用率和網路接取效率。

LTE-U 或 LAA 都是基於載波聚合(Carrier Aggregation, CA)及補充下行鏈路(Supplemental Downlink, SDL)技術衍生出的應用模式,兩者差異在於空中介面之異系統間分享與共存機制,LTE-U 採用高通所提出的 CSAT,而 LAA 則採用 3GPP 與 IEEE 共識下所發展出的 LBT。

LAA  

 

LWA(LTE/Wi-Fi Aggregation ; LTE+Wi-Fi鏈路聚合)是另一種聚合授權與未授權頻譜的方式,在業界號稱4.5G,乃允許用戶端同時開啟兩種異質網路介面,使得網路接取流量得以在LTE和Wi-Fi網路之間無縫(seamless)接合並進行流量合併與負載平衡,方便行動營運商運用 Wi-Fi 基礎架構,借助未授權頻譜容量擴增授權 LTE 網路容量

LWA 

圖片來源: 網路

 

 高通X16 LTE數據機支援LTE-U與LAA技術, X12 LTE數據機則支援LTE-U與LWA(with QCA6174A)技術

高通LAA  

 

E. LTE Streams:

高通LTE數據機支援不同規格的LTE stream串流技術, X16 LTE數據機可實現下行100Mbps 10 串流spatial stream)同時傳輸, X12 LTE數據則可實現下行100Mbps 6串流同時傳輸,其他數據處理機則可實現75Mbps 2~6串流同時傳輸。

高通串流技術  

 

X12 LTE數據機利用4×4 MIMO3×20MHz CA可實現6串流同時傳輸,達到600Mbps下行速度 。

高通 X16 LTE數據機天線採用了支持4×20MHz CA的2個4×4 MIMO + 2個2×2 MIMO天線配置方式,在傳輸下行數據時,2個4×4 MIMO提供8個串流、其中1個2×2 MIMO提供2個串流,利用60MHz頻寬來實現10條串流,大幅提升頻譜利用效率。在所有載波採用FDD制式時,每個串流帶寬為100Mbps,總帶寬為1000Mbps,就將下行峰值提高到1 Gbps

1GBPS  

 

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